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軋輥磨床數控化改造與應用

2023-11-27 來源：江蘇省高淳（chún）中等專業學校作者：張芬芬（fēn）

摘要: 以某冷軋薄板廠軋輥磨床改造項目為例，對數控技術在軋輥磨床改造（zào）中的應用展開分析。結果表明，對軋輥磨床數控係統改造後，輥形偏（piān）差（chà）縮小，磨（mó）削時（shí）間縮短，人機交互界麵更加（jiā）友好，可（kě）以顯示圖形（xíng），磨床（chuáng）的整體性能得到提升。

關鍵詞: 數控技術; 軋輥磨床; 改造

數控技術在多（duō）個領域得到了廣（guǎng）泛的應用，其（qí）中軋輥磨床是製造業不可（kě）或（huò）缺（quē）的重要設備，其磨削精度與產品質量密（mì）切相關（guān）。為提高軋輥磨床的磨削（xuē）精度，需對數控係統進行改造升級。某（mǒu）冷軋薄板廠興建於 20世紀 90 年代末，建廠時的設計產量為 70 萬 t，共有 9條生產線，12 套機組，設（shè）備與技術基本上都（dōu）是從國外引進，能夠生產高檔的冷軋板、彩塗板等，其產品在汽車製造（zào）、石（shí）化油工、建築等行業中有著廣泛應用。該廠磨輥車間采用的支撐輥磨床是從美國引進的，主要負責酸洗（xǐ）冷軋聯（lián）合機組與平整機組的支撐（chēng）輥修磨任務。磨床在長時間服役中數控係統不斷老化，部分功能喪失。而（ér）客戶（hù）對（duì）板麵的質量要求逐步提高，軋輥磨床的加工精度對生產形成了一定的製約，亟需對軋輥磨床進行改造，以（yǐ）便（biàn）更（gèng）好地滿足生產需要。

1、改造原因及目標

1. 1 改造原因

近年來，軋鋼技術逐（zhú）步完善，帶鋼質量逐步提升，為生產出能夠滿足不（bú）同客（kè）戶（hù）需求的帶鋼產品，需提升軋輥修磨技術，令軋輥的輥型複雜程度更高，磨（mó）削精度更高，偏心度、錐度偏差更（gèng）小（xiǎo），操作更加方便，自動化（huà）程度更高，磨削速度（dù）更快，以適應更多的軋輥材質，應用範圍更廣。該廠的支撐輥磨床數控係（xì）統由插（chā）件版計算機、德國（guó）西門子公司出品的 S5 係列 PLC 組成，計算機與 PLC 之間以點對點方式傳（chuán）輸信號［1］。受到（dào）計算機軟、硬（yìng）件方麵的（de）限製，導致該磨床的自動化程度偏低，使用過程中經常（cháng）出現問題，具體（tǐ）表現在以下幾方麵:偏差大。磨削加工後的軋輥輥形存在較（jiào）大的偏差，影響了（le）冷軋板質量。輥形（xíng）偏差是指（zhǐ）磨削加工的輥（gǔn）形與預先設定（dìng）的輥形之間的差（chà）值。軋輥作為軋鋼生產中鋼板的變形工具，對（duì）精度要求（qiú）較高，尤其是對（duì）平直度要求較高，即＜ 50μ。軋輥磨床存在（zài）的主要問題是磨削輥形偏差較大，約為 100μ，無法（fǎ）滿足冷軋鋼板（bǎn）的板形精度（dù）要求，對冷軋板質量的（de）提升產生（shēng）了嚴重製約，無法滿足高精度、高質量產品的生產需要。

磨削效率低（dī）。磨床對軋輥中心校（xiào）準的時間較長（zhǎng），數（shù）控程序中不具備補（bǔ）償功（gōng）能，導致磨削效率低，平均每根軋輥的磨削用（yòng）時約為 60 min 左右。由於效率過低，導致（zhì）磨削至規定精度所需（xū）的道次增多，軋輥及砂輪的損耗隨之（zhī）增大，致使輥耗降低。為供應質量合格、精度達標的軋輥，需保證軋（zhá）輥的周轉量充足，這樣（yàng）將導致生產成本增加。若是能夠在現有（yǒu）條件基礎上提高軋輥磨床的磨削效率，則可使軋輥的周轉（zhuǎn）量隨之減（jiǎn）少（shǎo）。

自動化程度偏低。從軋輥磨床的操作性能來看，係（xì）統（tǒng）采用的操作界麵較差，無法顯示圖形，導致生產過程中無法隨時查看圓度、磨削偏差等情況［2］。磨削程序較落後，無法（fǎ）自由編（biān）程，不具備硬件擴展功能，無法（fǎ）實（shí）現聯網通信及集中控製，不利於磨輥間（jiān）生產率的提升（shēng）。

故障率（lǜ）偏高。由於磨床的控製（zhì）及傳動係統結構較為複雜（zá），致使設備故障率增加（jiā）。該軋輥磨床的傳動係統為直流（liú）係統，穩定性與可維護性較差（chà），不（bú）但會對作業效率的提升產生影響（xiǎng），還會增加維（wéi）護成本。直流電動機的缺點是需要經常保養碳刷，如果維護不及時將可能引發故障。係統插件版采用分立（lì）元件，與 PLC 之間的通信方（fāng）式為點對點，PLC 與現場元件的通信方式也是點對點，需要敷設的電纜數量較多，故障率隨之增高，發生故（gù）障後查找及處理難度較大［3］，因此對軋輥磨床（chuáng）的數控係（xì）統進行升級改造勢在必行。

1. 2 改造目標

結合軋鋼生產及磨（mó）輥需（xū）求，對（duì）軋輥磨床數控係統進行（háng）升級改造，主要目標如下:

係統改造後，使磨削加工（gōng）的輥（gǔn）形偏差小於 10 μ，提高板形質量（liàng），為高品質（zhì）、高精度產品的批量生產提供保障。在數控係統軟件程序中增（zēng）加補償功能（néng），縮短磨削時間，提高磨削效率，使每根軋輥（gǔn）的磨削時間從原來的 60 min 縮減至 40 min 以內，以降低軋（zhá）輥的周轉量［4］。引入友好型的人機操作界麵，增加圖（tú）形顯示功能，采用模塊化思路設計（jì）磨削程序，為（wéi）自由（yóu）編程提（tí）供支撐。進一步簡化控製與傳動係統的結構，避免發生故障，提（tí）高磨床運行（háng）穩（wěn）定性。用工業 PC 機替代 CNC 係統，數控係統與 PLC 的通信及 PLC 與現場元（yuán）件（jiàn）的通信全部改為程序總線網絡( Profibus) ，減少電纜敷設量。

2、改（gǎi）造內容

本次改造屬於（yú）整體項目範疇，數控係統的選（xuǎn）擇是改造（zào）的重點內容，要求所選的數控係統具（jù）備良好的控製性及通用性，在提升軋輥磨削精度及質量的基礎上降低工作強度。

2. 1 改造（zào）方案

可用於軋輥磨床數控係統改造（zào）的方案有以下幾種:

方案一（yī）: 工業 PC 機（jī） + CNC + PLC。該方案的係統（tǒng）架構如圖 1 所示。

圖 1 工業 PC 機 + CNC + PLC 架構示意圖

該方案中，數控係統的所有單元均獨立，通過（guò）840D 將獨（dú）立 PC 機、CNC、PLC 等單元集中於一塊插件版上，各自獨（dú）立運行程序。其最突出的特點是 840D的應用（yòng），係統具（jù）有較強的通用性，故障率相對較低，便於維修［5］。

方案二: CNC + PLC，以工業 PC 機替（tì）代（dài） CNC。該方（fāng）案的係統架構如圖 2 所示（shì）。

圖 2 CNC + PLC( 以工業 PC 機替代 CNC) 架構示（shì）意圖

該方案中，CNC 被工業 PC 機（jī）取（qǔ）代，PLC 得以保留，將 PC 機劃分（fèn）為兩部分（fèn），即操作和控製，前者主要負責對（duì）控製部分（fèn）發出的指令信息進行接收與執行，後者可實現控製及圖形處理等功能。CNC 被工業 PC 機所取代，係統的硬件（jiàn）結構變得更加（jiā）簡單，因 PC 機為工業專（zhuān）用，故而該係統的通用（yòng）性較差（chà），但專業性非常強，維修難度（dù）增大。

方案三: 工業 PC 機代替 CNC 與 PLC。該方案的架構如圖 3 所示

圖（tú） 3 工業 PC 機（jī）代替 CNC 與 PLC 的架構示意圖

該方案中，CNC、PLC 的功能均在 PC 機上，以軟件控製方式實現，PC 機具有超強的邏輯運算（suàn）能力，利用擴展的總線接口，可與外部的驅動單元相（xiàng）連（lián）接。軟件型控製係（xì）統為實時操作（zuò）係統，能夠對 CPU 資（zī）源自（zì）主使用，借助 Windows 操作係統，可完成畫麵顯示、數據通（tōng）信（xìn）、邏輯掃（sǎo）描、控製任務（wù）等。該係統突出（chū）的特點是運算功能強大，現場總線技術的運用，豐富了控製係（xì）統對外圍輸入及輸出信號的監控（kòng）。

從（cóng）硬件結構、操作（zuò）界麵、編程方式、磨削功能等方麵對（duì）上述 3 種改造方案進行比較，確定將方案一作為本次軋輥磨床數控係統改造的主要方案，選用某機床廠提供的支撐輥（gǔn）磨床 MK84125，因為（wéi） 840D 係統的通用性強，能夠使現場設備保持正常運轉，加之係統價格較低（dī），故將其作為首選。840D 數（shù）控係統由德國西門子（zǐ）公司研發，功能強（qiáng）大，包括人（rén）機界麵、可編程控製器（qì）、數控內核、驅動控製（zhì）等。係統各部分功能如圖 4 所示。

圖 4 係統各部分（fèn）功能示（shì）意圖

2. 2 操作界麵的開發

選好數控係統後，依托（tuō）相（xiàng）關的開發軟件，對操作界麵（miàn）進行定義，通過操（cāo）作界麵的開發，實現全麵自動化操作，以提升磨床的磨削效力及（jí）加工質量，輔助用戶以分層方式管理機床。對軋輥磨床的加工工藝進行融合設計，包括工件（jiàn）中心自動校正、砂輪自動修整、磨削自動循環、輥形偏（piān）差自動測量與修（xiū）整及補償，按照實際需求，對加工工序進行靈活組合，實現不（bú）同軋輥及表麵質量的整合。操作界麵（miàn）由 6 個窗口組成，具體開（kāi）發過程（chéng）如（rú）下:手動調整（zhěng）。軋輥磨床（chuáng）在非磨（mó）削加工狀態時，可運用手（shǒu）動調整窗口，以實現對磨床伺服軸、頭架主（zhǔ）軸電機（jī）、砂輪主軸電機、測量（liàng）臂等的手動調整。

參數設置。該窗口的主要（yào）功能是設置軋輥磨床的基本參數，由於參數對磨床的控製過程具有直接影響，故應正確、合理進行（háng）設置。大（dà）部分參數是在軋輥磨床調試（shì）期間完成設置，少部分參數需在特定情況下按磨床運行特點修改設置［6］。在修改設置參數時，用戶應具備相應的權限，參（cān）數修改（gǎi）完畢後予以保存，以替代之前的參數。

加工程序編輯（jí）。該窗口（kǒu）能夠編製軋輥磨床的加工程序，將係統（tǒng）提供的加工工序整合後，輸入（rù）最佳的磨（mó）削（xuē）參數，使軋輥加工實現最優目（mù）標。

曲線參數。該窗口能夠完成軋輥輥形曲線參數的錄入、修改、保存等（děng）操作。可編程的曲線類（lèi）型包括平輻輥形、正弦輥輥形、錐度輥輥形、曲線輥形等。在默認的情況下，係統保存數十條輥形參數，用戶可對曲線進（jìn）行修改，並新增所需的曲線。

磨削。該窗口能（néng）夠對軋輥磨床自動磨削加工過（guò）程進行控（kòng）製，係統裝（zhuāng）載大量的程序，可提供多種控製方案，實現由簡（jiǎn）到繁的自動磨削控製。

3、結束語

在軋（zhá）輥磨（mó）床數控係統改（gǎi）造過程中，需合（hé）理應用先進的數控技術，根據生產需要選擇最為適宜的係統，達到改造目的，提高軋輥磨床的磨削精度，提升產品質量（liàng）。未來一段時期，要加（jiā）大數控技術研究力度，逐步改進完善，研發新技術，使其更好地為工業生產（chǎn）服務。

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